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球磨机冲击物料过程的特性研究与分析

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发布时间:2015-04-24 16:48:15修改时间:2018-09-10 13:27:09

球磨机简介

球磨机在物料粉碎加工中占有重要的地位,广泛应用于水泥、选矿和冶金等基础行业中。球磨机正常运转时,磨球由离心力、惯性力等被带到一定高度后,以自身重力抛落产生冲击作用而粉碎物料。磨球冲击过程物料不断损伤和断裂,形成新的表面能。磨球冲击作用对粉碎物料十分重要。目前冲击碰撞现象已被广泛研究,如对复合材料低速冲击受到较多注意,使复合材料快速发展,球磨机磨球冲击过程与其相似。但由于物料的存在,球磨机磨球冲击物料过程比较复杂,目前对冲击物料过程进行特性研究仍较少。

我们通过相似原理、Hertz理论及能量守恒理论,设计了简单冲击试验装置,模拟冲击粉碎物料过程,能更真实地估算冲击力和冲击应力大小,可对冲击物料过程提供一定的理论依据,为提高粉磨系统中球磨机产量、效果及节能降耗提供相关支持。

球磨机

理论计算与分析

利用相似原理和相对运动原理,将球磨机磨球冲击物料过程简化为落锤做自由下落运动冲击物料,料层近似认为静止不动的平面。

假设冲击料层材料为水泥熟料,其弹性模量、泊松比和屈服强度分别为20GPa、0.2和4.5MPa;钢球直径为34mm,其弹性模量、泊松比分别为210GPa和0.3。已知钢球冲击物料的势能为0.43J,根据公式计算可知,实际钢球冲击物料的速度(2.32m/s)远远大于发生塑性形变的临界速度(0.0002m/s),所以钢球冲击物料必然发生弹塑性形变。

如果不考虑水泥料层的弹塑性特性,钢球冲击料层的理论冲击力5860N,考虑水泥料层弹塑性特性,钢球冲击料层的理论冲击力122N,仅为完全弹性理论冲击力的2%。

具体分析钢球冲击物料的冲击力与钢球冲击势能的关系可以看出,完全弹性时,冲击力随钢球势能的增加急剧增加,弹塑性时,冲击力的增加则平缓很多,说明随着钢球势能的增加,接触面上的塑性区域范围越来越大,相应的冲击力增加量则受到塑性应力的限制。冲击力大小还受钢球直径的影响,冲击力随钢球直径的增加而缓慢增加。

球磨机

产生完全弹性时,冲击应力随钢球直径的增加急剧减小,而产生弹塑性时,改变钢球直径,冲击应力变化甚微。我们认为,冲击应力与钢球的大小无关,只与钢球冲击高度有关,即冲击应力随着冲击高度(冲击势能)的增加而增加。

试验及分析

试验原料是粒度为0.55~0.6mm、密度为3.128g/cm3的水泥熟料。试验方法如下:

1、为获得钢球对水泥熟料冲击过程的冲击力,将力传感器固定于料筒和工作平台之间,用电磁铁吸住钢球,断电,钢球自由下落冲击水泥熟料。力传感器将获得的冲击信号经数据采集系统处理和电脑分析后,可得到冲击力随时间的变化曲线,取其大值,每次重复试验15次,求其平均值。

2、为反映冲击势能与粉磨效果的变化规律,设计电磁铁吸住锤头,断电,锤头自由下落,调整不同的冲击高度和冲击次数来冲击水泥熟料。试验条件如表3所列,锤头质量相同(967g),采用成品率(190目筛下量)和比表面积来反映粉磨效果。

球磨机

结果分析

弹塑性冲击力122N,实际测试值为108N,试验值与理论值误差为10%左右。考虑弹塑性理论值比完全弹性理论值更接近实际值,因而弹塑性理论计算公式更适用于物料冲击粉碎过程,可估算冲击力及冲击应力大小。

等冲击势能作用下,冲击力随着钢球直径的增加而增加。相同的钢球直径,冲击力随着钢球势能的增加而增加,冲击势能与钢球直径均对冲击力大小有影响。结合前文的理论分析认为,冲击势能与冲击力不呈正比关系。专家提出的冲击力与其冲击势能成正比的假设与其相悖,则有关行星式球磨机的节能分析还有待于进一步研究证实。

相同直径的钢球,随着总冲击势能的增加,成品率和比表面积随之增大,即粉磨效果随总冲击势能的增加而提高。不管是改变钢球冲击高度还是球径大小,只要保持总冲击势能相等,成品率和比表面积的数值都十分接近,误差不到10%,这可能是由试验误差造成的。因此我们认为,势能相等时,钢球直径对冲击粉磨效果的影响可不计,即冲击势能相等,粉磨效果相同,新的粉碎表面积正比于颗粒变细过程中所消耗的能量。冲击势能相等,粉磨效果相同,对动能相似的行星磨和球磨机,就单个磨筒分析,等势能作用下,即粉磨效果相同的球磨机直径是行星因子的行星磨直径的数倍,可为行星磨的节能机理研究提供相关理论支持。

球磨机

以上主要根据相似理论、能量守恒理论、Hertz理论及钢球冲击试验,对球磨机磨球冲击物料过程特性进行了分析,得出结论。冲击粉碎物料是弹塑性形变过程,冲击力受冲击势能与球径影响,冲击力随其增加而增加,冲击力与冲击势能并不呈正比关系。单一钢球(Ф10~30mm)冲击作用,等冲击势能时,球径对冲击应力影响甚小,冲击应力主要受冲击势能的影响,随冲击势能的增加而增加。单一钢球循环冲击物料,等冲击势能作用下,无论改变钢球直径和冲击高度(冲击应力),粉磨效果都十分接近。等冲击势能作用下,必有相同冲击粉磨效果,为动能相似的球磨机和行星磨的节能对比提供相关依据;势能相同,粉磨效果相同的球磨机直径是行星因子为z的行星磨直径的倍。

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